قطعات آلیاژی اینکونل: 625 و 718 برای محیط های با دمای بالا و خورنده 

وقتی یک مهندس یک لیست می کند قسمت اینکونل برای یک برنامه کاربردی، آلیاژ 625 و آلیاژ 718 اغلب در یک لیست کوتاه ظاهر می شوند. هر دو سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل با پایداری عالی در دمای بالا هستند. هر دو در برابر اکسیداسیون مقاومت می کنند. هر دو به شکل های میله ای، بشقاب و ریخته گری موجود هستند. با این حال، آن‌ها برای حالت‌های خرابی اساساً متفاوت مهندسی شده‌اند، و انتخاب اشتباه می‌تواند منجر به خوردگی زودهنگام یا طراحی بیش از حد قطعات شود که بدون افزایش عمر مفید، هزینه را افزایش می‌دهد.

تمایز این نیست که کدام آلیاژ "قوی تر" یا "مقاومتر در برابر خوردگی" به معنای کلی است. در مورد اینکه کدام مکانیسم تقویتی با تهدید تخریب غالب مطابقت دارد. Inconel 625 به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و پایداری دمایی گسترده، به تقویت محلول جامد متکی است. Inconel 718 از سخت شدن بارش برای دستیابی به استحکام بسیار بالا استفاده می کند، اما این استحکام دارای سقف دما است. درک این که آن سقف کجاست، و آنچه فراتر از آن اتفاق می افتد، نقطه آغازی برای هر فرد است قسمت اینکونل تصمیم انتخاب

این مقاله برای مهندسین و خریداران تجهیزات هوافضا، پتروشیمی و تجهیزات با دمای بالا نوشته شده است که به یک چارچوب انتخاب کار نیاز دارند. این بر منطق متالورژیکی پشت هر آلیاژ، شرایط خدماتی که یکی را بر دیگری ترجیح می دهد، و ملاحظات ساختی که تعیین می کند آیا آلیاژ مشخص شده مطابق مورد نظر عمل می کند، تمرکز دارد.

تفاوت اصلی: تقویت محلول جامد در مقابل سخت شدن بارندگی

ساده ترین راه برای قاب بندی تفاوت این است: Inconel 625 قدرت خود را از آنچه در آن حل شده است بدست می آورد. اینکونل 718 قدرت خود را از آنچه که از آن رسوب می کند بدست می آورد.

Inconel 625 (UNS N06625) یک آلیاژ تقویت شده با محلول جامد است. مولیبدن (8-10٪) و نیوبیم (3.15-4.15٪) در ماتریس نیکل-کروم حل می شوند و شبکه کریستالی را مخدوش می کنند و مانع حرکت دررفتگی می شوند. این تقویت در شرایط عرضه شده وجود دارد. هیچ درمان پیری لازم نیست. همان ویژگی های ترکیبی که استحکام را ایجاد می کند - به ویژه محتوای بالای مولیبدن و کروم - همچنین مقاومت خوردگی استثنایی آلیاژ را ایجاد می کند. اینکونل 625 در واقع یک آلیاژ خوردگی است که به طور اتفاقی دارای استحکام مفیدی است نه یک آلیاژ استحکام که اتفاقاً در برابر خوردگی مقاومت می کند.

Inconel 718 (UNS N07718) با اصل متفاوتی کار می کند. نیوبیم (4.75-5.5٪) در طول پیری با نیکل ترکیب می شود و رسوبات دو پرایم گاما (Ni3Nb) را تشکیل می دهد و در کنار گاما پرایم (Ni3Al/Ti) کار می کند تا اثر تقویتی اولیه را ایجاد کند. در شرایط تیمار شده با محلول، 718 نسبتاً نرم است. پس از پیری، قدرت تسلیم آن بسته به فرم و مشخصات محصول تقریباً به 1000-1100 مگاپاسکال می رسد، در مقایسه با معمولاً 320-450 مگاپاسکال برای 625 آنیل شده. این تفاوت - تقریباً دو تا سه برابر قدرت تسلیم - توضیح می دهد که چرا 718 بر اجزای چرخان با تنش بالا غالب است.

اینکونل 600، که گاهی در بحث های کلی آلیاژ نیکل با این آلیاژها گروه بندی می شود، یک آلیاژ Ni-Cr بدون افزودنی های مولیبدن یا نیوبیم است که 625 و 718 را تعریف می کند. استحکام و مقاومت در برابر خوردگی آن هر دو متوسط تر است، و خارج از محدوده این مقایسه قرار دارد.

برای یک قسمت اینکونل در جایی که تهدید اولیه حفره های کلرید یا حمله اسیدی است، شیمی محلول جامد 625 مزیت مربوطه است. در جایی که تهدید اولیه خستگی یا تسلیم تحت بار زیاد در دمای متوسط ​​است، ساختار سخت شده با بارش 718 انتخاب مناسبی است. بقیه این مقاله بررسی می‌کند که آن شرایط واقعاً کجا رخ می‌دهند.

چگونه دما و شرایط خوردگی در انتخاب تصمیم می گیرند

اینکونل 625: سرویس و سازه های جوش خورده تحت سلطه

هنگامی که مقاومت در برابر خوردگی عامل تعیین کننده است، Inconel 625 مشخصات پیش فرض است. محتوای مولیبدن آن مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای و شکافی را در محیط‌های حاوی کلرید فراهم می‌کند، با عدد معادل مقاومت حفره‌ای (PREN) به‌دلیل محتوای مولیبدن بالاتر، به طور قابل‌توجهی بالاتر از 718 است. در آب دریا، جریان های فرآیند اسیدی و خدمات گاز ترش، این مقاومت دلیل انتخاب 625 به جای جایگزینی با مقاومت بالاتر است. این آلیاژ برای خطوط جریان زیر دریا، تجهیزات پردازش شیمیایی از جمله دریچه ها و مبدل های حرارتی و سیستم های اگزوز دریایی استفاده می شود.

قابلیت دمای 625 اغلب اشتباه گرفته می شود. این آلیاژ استحکام مفید و مقاومت در برابر اکسیداسیون را تا حدود 980 درجه سانتیگراد حفظ می کند و برخی از منابع دمای خدمات را تا 1093 درجه سانتیگراد برای اشکال خاص محصول ذکر می کنند. اما "استحکام مفید" در دمای 980 درجه سانتیگراد با ظرفیت باربری بالا که 718 در دماهای پایین تر فراهم می کند یکسان نیست. Inconel 625 در دمای بالا برای مقاومت در برابر اکسیداسیون و پایداری ساختاری انتخاب شده است، نه برای استحکام تسلیم تحت بار سنگین.

مزیت ساخت 625 به همان اندازه مهم است. این آلیاژ را می توان در شرایط جوشکاری بدون عملیات حرارتی پس از جوش استفاده کرد و در برابر خوردگی بین دانه ای حتی در شرایط جوشکاری مقاوم است. برای سازه های جوش داده شده، روکش های جوشکاری، و ساخت های پیچیده که چرخه پیری پس از جوش باعث ایجاد اعوجاج یا افزایش هزینه می شود، این سادگی یک معیار انتخاب عملی است. این آلیاژ معمولاً به عنوان پوشش جوشی روی فولاد کربنی برای سرویس ترش استفاده می شود، جایی که روکش فلزی بدون نیاز به عملیات حرارتی کل جزء، مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می کند.

Inconel 718: خدمات تحت سلطه قدرت در زیر پنجره پیری

اینکونل 718 سوپر آلیاژ غالب برای کاربردهای با تنش بالا در دمای تقریباً 650 درجه سانتیگراد است. دیسک‌های توربین موتور جت، بست‌های با استحکام بالا، ابزارهای سوراخ‌کننده نفت و گاز، و توربوپمپ‌های موتور موشک همگی به استحکام قدیمی ۷۱۸ متکی هستند. عملکرد خزش و گسیختگی آلیاژ در این محدوده عالی است.

بالاتر از آن دما، مکانیسم تقویت شروع به شکست می کند. گاما دو پرایم رسوب می کند که استحکام 718 را ایجاد می کند در دماهای حدود 650 درجه سانتیگراد و بالاتر به فاز دلتا تبدیل می شود و باعث از بین رفتن استحکام می شود. این یک کاهش تدریجی نیست که بتوان آن را با یک عامل ایمنی مدیریت کرد. این یک تبدیل فاز است که رفتار اساسی آلیاژ را تغییر می دهد. برای سرویس پایدار بالاتر از حدود 650 تا 700 درجه سانتیگراد، 718 بدون توجه به ویژگی های دمای اتاق، دیگر انتخاب مناسبی از نظر قدرت نیست. حد بالایی دقیق بستگی به سطح استرس و عمر مورد نیاز دارد، اما مکانیسم یک مرز عملی را تحمیل می‌کند که نمی‌توان آن را به طور نامحدود طراحی کرد.

Inconel 718 دارای مقاومت خوردگی مفیدی است. در برابر اکسیداسیون و بسیاری از محیط های آبی به اندازه کافی برای کاربردهای ساختاری مقاومت می کند. اما در محیط‌های تهاجمی کلرید یا اسیدی کاهنده، میزان مولیبدن کمتر آن (2.8 تا 3.3 درصد) و میزان آهن بالاتر آن را نسبت به 625 کمتر می‌کند. قسمت اینکونل مشخص شده در 718 برای کاربردهای خورنده، احتمالاً در مورد استحکام بیش از حد مشخص شده و در مورد مقاومت در برابر خوردگی کمتر مشخص شده است. منطق انتخاب باید از حالت شکست غالب پیروی کند، نه ترجیح عمومی برای آلیاژ "با عملکرد بالاتر".

اشکال قطعه اینکونل معمولی و محل قرارگیری هر آلیاژ

بدنه شیر و اجزای پردازش شیمیایی

در فرآوری شیمیایی، بدنه شیر و اجزای داخلی با ترکیبی از محیط های خورنده، جریان فرسایشی و نیازهای سطح آب بندی مواجه هستند. هنگامی که جریان فرآیند حاوی کلرید، اسیدهای احیا کننده یا خنک کننده آب دریا باشد، Inconel 625 مشخصات مناسبی است. محتوای مولیبدن آن به خوردگی حفره‌ای و شکافی در فلنج‌ها و سطوح آب‌بندی می‌پردازد و قابلیت استفاده به صورت جوشی آن، ساخت هندسه‌های پیچیده شیر را ساده می‌کند.

Inconel 718 در خدمات شیمیایی عمدتاً در اتصال دهنده های فشار بالا و اجزای ساختاری که در آن استحکام نیاز حاکم است، به جای در قسمت های خیس شده که در معرض مواد شیمیایی تهاجمی قرار دارند، ظاهر می شود. برای یک قسمت اینکونل که هر دو عملکرد را ترکیب می کند - یک جزء پر استرس که همچنین با رسانه های خورنده تماس می گیرد - انتخاب ممکن است به مصالحه یا یک آلیاژ متفاوت نیاز داشته باشد.

یادداشت تأیید: صفحات محصول فعلی وب سایت Inconel 600 و Inconel 718 را پوشش می دهند. در دسترس بودن قطعات Inconel 625 باید قبل از مشخص کردن 625 به عنوان ماده ارائه شده تأیید شود.

مهر و موم های توربین، دیسک ها و قطعات دوار با استرس بالا

در کاربردهای هوافضا و توربین گاز، 718 پیش‌فرض برای دیسک‌های توربین، دیسک‌های کمپرسور، شفت‌ها و اجزای استاتیکی با استرس بالا است که در دمای زیر 650 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. ترکیب این آلیاژ از استحکام تسلیم بالا، مقاومت در برابر خستگی و قابلیت پارگی تنش در این محدوده دمایی جایگزینی دشوار است. مهر و موم های توربین که بارهای تماسی و چرخه حرارتی بالایی را تجربه می کنند، اغلب در 718 مشخص شده اند، زمانی که سطوح آب بند در معرض حمله خورنده شدید قرار نگیرند.

Inconel 625 در سیستم‌های اگزوز موتور، کانال‌ها و قطعاتی که مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی مهم‌تر از ظرفیت تحمل بار است ظاهر می‌شود. انتخاب بین این دو در یک محیط توربین معمولاً از یک سوال واضح پیروی می کند: آیا این قطعه اساساً یک مسیر بار ساختاری است یا در درجه اول یک جزء مهار و مسیر جریان است؟ اولی به نفع 718; دومی به نفع 625 است.

منیفولدها، اتصال دهنده ها و اجزای اگزوز

اتصال دهنده ها یک برنامه کلاسیک 718 هستند. پیش بارگذاری بالا، مقاومت در برابر تنش آرام، و مقاومت در برابر خستگی تحت بارگذاری چرخه ای الزامات حاکم هستند و استحکام قدیمی و عملکرد پارگی تنش 718 مستقیماً آنها را برطرف می کند. یک اتصال پیچی با دمای بالا که در 625 مشخص شده است احتمالاً به یک بست بزرگتر یا پیش بار کمتری برای دستیابی به عملکرد معادل نیاز دارد و وزن و پیچیدگی را اضافه می کند.

منیفولدهای اگزوز و اجزای مشابه، موارد ظریف تری را ارائه می دهند. اگر دمای عملیاتی زیر 650 درجه سانتیگراد باقی بماند و محیط در حال اکسید شدن باشد اما به شدت خورنده نباشد، 718 انتخاب معقولی است. اگر جریان اگزوز حاوی میعانات حاوی کلرید یا گونه های اسیدی باشد، مقاومت در برابر خوردگی 625 ممکن است از مزیت مقاومتی 718 بیشتر باشد. تصمیم باید بر اساس شیمی واقعی گاز و دمای فلز باشد، نه بر اساس یک فرض کلی که استحکام بالاتر همیشه ارجح است.

چالش های ساخت و ریخته گری: 625 در مقابل 718

رفتار ماشینکاری

ماشینکاری هر دو آلیاژ در مقایسه با فولادهای زنگ نزن دشوار است، اما به دلایل مختلف. اینکونل 625 در حالت آنیل شده صمغی است و به سرعت سفت می شود. تراشه‌ها بلند و رشته‌ای هستند، سایش ابزار تسریع می‌شود، و مواد تمایل دارند به جای برش تمیز از لبه برش دور شوند. ابزار تیز، خنک کننده با فشار بالا و تغذیه محافظه کارانه برای جلوگیری از سخت شدن لایه سطحی که عملیات بعدی را پیچیده می کند، ضروری هستند.

اینکونل 718 معمولاً در شرایط عملیاتی شده با محلول یا نیمه قدیمی تراشیده می شود، سپس پس از ماشینکاری کهنه می شود. سختی مطلق بالاتر آن به این معنی است که سایش ابزار یک نگرانی اصلی است، اما تشکیل تراشه قابل پیش بینی تر است و کنترل ابعاد به طور کلی بهتر از 625 است. اگر یک قطعه قبل از ماشینکاری نهایی کهنه شود، سختی بیشتر افزایش می یابد و ماشینکاری به طور قابل توجهی دشوارتر می شود. رویکرد عملی برای بیشتر قسمت اینکونل تولید به این صورت است که ماشین را در شرایط نرم تر، کهنه تر کند، سپس ماشین را با تغییرات ابعادی که پیری ایجاد می کند، به پایان برساند.

جوشکاری و عملیات پس از جوشکاری

Inconel 625 را می توان بدون عملیات حرارتی پس از جوشکاری جوش داده و در خدمت قرار داد و این آلیاژ حتی در شرایط جوشکاری در برابر خوردگی بین دانه ای مقاومت می کند. این یک مزیت ساخت واقعی برای مجموعه های بزرگ یا پیچیده است که در آن چرخه پیری پس از جوش غیرعملی است یا باعث ایجاد اعوجاج می شود. این آلیاژ همچنین به طور گسترده ای به عنوان پوشش جوش برای محافظت در برابر خوردگی استفاده می شود، که بر روی فولاد کربنی یا بسترهای با آلیاژ پایین تر بدون نیاز به عملیات حرارتی جزء نهایی اعمال می شود.

Inconel 718 قابل جوش است، اما اجزای جوش داده شده معمولاً برای بازیابی استحکام در ناحیه جوش و گرما به پیری پس از جوش نیاز دارند. فرآیند جوشکاری خود می‌تواند یک ریزساختار ریختگی مانند با تفکیک ایجاد کند که بر پاسخ پیری بعدی تأثیر می‌گذارد. برای سازه های جوش داده شده 718، چرخه عملیات حرارتی بخشی از مسیر حیاتی ساخت است، نه یک مرحله تکمیلی اختیاری.

ملاحظات ریخته گری

هر دو آلیاژ می توانند ریخته گری سرمایه گذاری شوند، اما الزامات کنترل فرآیند متفاوت است. Inconel 718 حاوی نیوبیم کافی است که فاز Laves می تواند در طول انجماد تشکیل شود. این فاز برای خواص مکانیکی مضر است و باید قبل از پیری از طریق محلول حل شود. عملیات حرارتی استاندارد برای ریختگی 718، همانطور که در AMS 5383 توضیح داده شده است، شامل همگن سازی و به دنبال آن درمان محلول و یک چرخه پیری دو مرحله ای است. فرآیند ریخته گری و برنامه عملیات حرارتی 718 باید به عنوان یک سیستم یکپارچه طراحی شود، نه به عنوان عملیات جداگانه. اینکونل 625 در ریخته‌گری بخشنده‌تر است، اگرچه کنترل جداسازی در مقاطع ضخیم همچنان مهم است.

برای یک قسمت اینکونل که هم به ریخته گری و هم به استحکام بالا نیاز دارد، عملیات حرارتی 718 بخشی جدایی ناپذیر از دستیابی به خواص مشخص شده است. یک جزء ریختگی 718 که درمان مناسب محلول و سن را دریافت نکرده است، استحکامی را که نام آلیاژ نشان می دهد ارائه نمی دهد.

چک لیست تایید انتخاب

چک لیست زیر برای استفاده قبل از نقل قول یا بررسی طراحی در نظر گرفته شده است، به عنوان راهی برای تأیید اینکه انتخاب آلیاژ مطابق با نیاز خدمات غالب است.

آستانه 800-900 مگاپاسکال در این جدول یک تمایز عملی بین قدرت تسلیم معمولی 625 آنیل شده و سن 718 است. این یک محدودیت مشخصات نیست. انتخاب نهایی مواد باید بر اساس الزامات طراحی واقعی و استانداردهای قابل اجرا برای موارد خاص باشد قسمت اینکونل.

سوالات متداول

آیا اینکونل 718 در تمام دماها از 625 قوی تر است؟
مزیت قدرت شماره 718 به رسوبات پرایم دوگانه گاما بستگی دارد که در دمای تقریباً 650 درجه سانتیگراد پایدار می مانند. بالاتر از آن دما، رسوبات درشت می شوند و تبدیل می شوند و مزیت مقاومت کاهش می یابد. تقویت محلول جامد Inconel 625 به فاز رسوبی بستگی ندارد و در دماهای بالاتر، هرچند در سطح قدرت مطلق پایین تر، موثر باقی می ماند.

آیا اینکونل 625 می تواند با قدرت 718 پیر شود؟
نه. Inconel 625 حاوی تعادل تیتانیوم، آلومینیوم و نیوبیم مورد نیاز برای پاسخ سخت شدن بارش قابل توجهی نیست. استحکام آن از مولیبدن و نیوبیم در محلول جامد ناشی می‌شود، و عملیات پیری رسوبات دو پرایم گاما را ایجاد نمی‌کند که 718 را تقویت می‌کند.

کدام آلیاژ برای کاربردهای آب دریا بهتر است؟
Inconel 625. محتوای مولیبدن آن مقاومت در برابر خوردگی حفره ای و شکافی را با PREN به طور قابل توجهی بالاتر از 718 فراهم می کند و به طور خاص برای خدمات آب دریا از جمله لوله کشی، اتصالات و اجزای دریایی مورد توجه قرار گرفته است. Inconel 718 برای بسیاری از محیط‌ها مقاومت مناسبی در برابر خوردگی دارد، اما برای سرویس کلرید تهاجمی انتخاب ارجح نیست.

چرا اینکونل 718 به درمان پیری نیاز دارد؟
در شرایط تیمار شده با محلول، عناصر آلیاژی 718 تا حد زیادی در محلول باقی می مانند و آلیاژ نسبتاً نرم است. پیری، پرایم دوبل گاما (Ni3Nb) را رسوب می دهد، که مانع حرکت نابجایی می شود و استحکام بالایی را ایجاد می کند که آلیاژ برای آن مشخص شده است. بدون پیری، قطعه 718 به خواص مکانیکی مورد نظر خود دست نمی یابد.

آیا هر دو آلیاژ می توانند سرمایه گذاری شوند؟
بله. هر دو را می توان با ریخته گری سرمایه گذاری تولید کرد. ریخته گری Inconel 718 برای حل کردن فاز Laves تشکیل شده در طول انجماد، و به دنبال آن پیری برای ایجاد استحکام نیاز به عملیات محلول دارد. عملیات حرارتی بخش مهمی از فرآیند تولید است، نه یک مرحله اختیاری. ریخته‌گری Inconel 625 تا حدودی بخشنده‌تر است، اگرچه کنترل جداسازی برای مقاطع ضخیم مهم است.

مرحله بعدی: مکانیسم را با حالت شکست مطابقت دهید

انتخاب بین Inconel 625 و 718 برای یک قسمت اینکونل باید یک سوال سازماندهی واحد را دنبال کند: مکانیسم تخریب غالب چیست؟ اگر خوردگی - سوراخ شدن، حمله شکافی، محیط اسیدی یا حاوی کلرید - تهدید معتبری باشد، شیمی محلول جامد و محتوای مولیبدن 625 به طور مستقیم به آن رسیدگی می کند و قابلیت استفاده به صورت جوش داده شده آن، ساخت را ساده می کند. اگر تنش زیاد، خستگی یا تسلیم تحت بار کمتر از حدود 650 درجه سانتیگراد شرط حاکم باشد، مقاومت سخت شده در برابر بارش 718 مشخصات مناسبی است، مشروط بر اینکه سقف دما رعایت شود.

برای کاربردهایی که هم خوردگی و هم تنش زیاد وجود دارد، هیچ یک از آلیاژها پاسخی جهانی نیست. ارزیابی باید عواقب شکست خوردگی را در مقابل عواقب شکست مکانیکی بسنجد و در نظر بگیرد که آیا یک ماده متفاوت یا یک رویکرد حفاظت از سطح ممکن است هر دو الزامات را موثرتر برآورده کند.

برای بررسی موجود است مشخصات قطعه اینکونلاز جمله اطلاعات محصول اینکونل 600 و اینکونل 718، از صفحات محصول مربوطه دیدن کنید. برای قطعات Inconel 625 یا قطعات ریخته‌گری و ماشین‌کاری سفارشی در هر یک از آلیاژها، قبل از مشخص کردن، محدوده فعلی تولید و قابلیت‌های عملیات حرارتی را تأیید کنید.